【文献解读|全球活性矿物固存土壤碳的气候驱动阈值】
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"文献解读"专题·第4篇
编辑 | 明允
3941字 | 10分钟阅读
文章信息
原名：Climate-driven thresholds in reactive mineral retention of soil carbon at the global scale
译名：全球活性矿物固存土壤碳的气候驱动阈值
期刊：Nature Climate Change
2018年影响因子：19.181
5年影响因子：21.278
在线发表：2018年11月
第一作者：Marc G. Kramer
通讯作者：Marc G. Kramer
第一单位：华盛顿州立大学环境学院
DOI：10.1038/s41558-018-0341-4
导读
随着气候变暖，土壤有机质会向大气中释放二氧化碳。有机质被活性(铁铝)土壤矿物吸收固存是土壤碳长期储存的重要机制。然而，全球矿物固存的碳在气候带的分布及其对土壤碳库的总体贡献知之甚少。本研究测量了各种气候条件下活性矿物所固存的碳。活性矿物固存的碳占矿物土壤有机碳的3 - 72%，而这主要取决于年平均降水量和潜在蒸发量。在全球范围内，据估计约600 Gt的土壤碳被活性矿物保留，其中大多数分布在湿润森林的生物群落中。对许多生物群落来说，被活性矿物所保留的有机碳对有效水分的轻微变化有响应，表明它们对未来气候变化高度敏感。
重点：
有机质被活性(铁铝)土壤矿物吸收固存是土壤碳长期储存的重要机制，被活性矿物固存的有机碳量受气候因素（年平均降水量与潜在蒸发量）的强烈影响。
土壤中的总有机碳有近1/4以被活性矿物固存的方式长期储存，在一些高降水量的生境中，被活性矿物固存的比例超过了1/2。
在有效水分为-300-800mm 的生境内，被矿物固存的有机碳量对流经的水通量的变化具有高度响应，因此对未来气候的变化最为敏感。
01
研究背景
土壤是由岩石矿物的不协调风化、降解后有机物残体的掺入以及随后其化学成分的重组形成的。土壤中碳储存的基础是: 有机质在微生物分解过程中产生的可溶性有机化合物，通过配体交换反应与矿物胶体表面上形成新的羟基。即使这些含铁和铝的活性矿物胶体在土壤中含量不高，也为有机碳在土壤中固存提供了重要的基质。可溶性有机碳被矿物胶体固存是碳在矿质土壤中长期积累的重要机制。由于气候控制着矿物风化的速度和产生的金属硅酸盐胶体的类型，以及植物产生的有机化合物的性质，因此地球土壤中可溶性有机物质的产生速度及其稳定机制存在相当大的差异。
气候是土壤形成的重要因素，但先前的研究尚未在全球范围内评估其在调节可溶性碳供应和形成储存碳的活性矿物质方面的作用。本土的研究表明，土壤水分平衡的变化会导致许多土壤特性的非线性变化，包括 pH 值、养分供应、以及生物学特性，可能对确定碳储存的数量和类型很重要。在全球范围内，气候决定了在相对较窄的有效水分区间中土壤pH值从 8 到 5 的强烈变化。尽管土壤 pH 值的这一范围意味着土壤化学过程和控制碳稳定的机制存在很大差异，但我们对“有效水分”在广泛变化的生物群落中如何影响活性矿物质对土壤碳的吸附知之甚少。
本文中，作者关注有效水分对活性矿物固存的土壤碳量的影响。根据在美国国家生态观测网中采集的土壤样本与从全球数据集获得的100-4100mm范围年降水量数据，作者量化了总有机碳和无机碳以及活性矿物固存的碳。
其中
有效水分= 年平均降水量 – 潜在蒸发量。作者忽略了陆地上其他水分再分配过程
活性矿物固存的土壤碳= 使用焦磷酸-亚硫酸盐对土壤铁铝矿物胶体进行化学裂解后土壤释放出的碳
02
主要结果
（一） 气候驱动的碳固存阈值
焦磷酸二亚硫酸钠将土壤矿物溶解后，不同的有效水分条件下土壤可溶性碳释放的百分比。活性矿物溶解后释放的可溶性碳占总有机碳量的3-72%，取决于年平均降水量和潜在蒸发量（Fig. 2）。尽管有效水分对于土壤总有机质含量而言是一个较弱的影响因子（Fig. 3），但它对不同母质和生物群落中活性矿物固存的有机碳的比例展现出了很强的控制作用，产生强烈影响的阈值为 -300-800mm 年平均降水量-潜在蒸发量。
Fig. 2 | Percentage of organic carbon released as DOC after reactive mineral dissolution with pyrophosphate dithionite as a function of MAP adjusted for PET. PET was calculated using the Penman–Monteith method. Depth integrated mineral horizon (B and C horizon) soil samples were from the National Ecological Observatory Network (NEON) and from a global soil data set (67 individual sites in total). The dashed line shows a nonlinear, symmetric sigmoidal fit: y = 63.85736 + (3.886511–63.85736)/ (1 + ((x + 1602)/1839.642) 8.060139 )
Fig.3 | Relationship between total organic C content and MAP adjusted for PET. Depth integrated mineral horizon (B and C horizon) soil samples were from the National Ecological Observatory Network and a global soil data set (67 individual sites in total).
（二） 土壤碳在不同生境中的固存
利用气候-矿物碳的联系，结合全球降水、潜在蒸发量数据集与深度集成的碳储量地图，作者估计有近600 Gt碳被土壤活性矿物固存，约占土壤有机碳库的1/4（Fig. 4, Fig. 5）。而在高降水量的生境和部分森林生境中，活性矿物固存了50% 以上的土壤总有机碳（Fig. 5）。
Fig.4 | Global carbon stock of C retained by reactive minerals. Combining a spatially continuous global precipitation and PET data set 24,25 with global soil C stock maps integrated by depth 26,27 (all at 1 km resolution) and the relationships we observed, we calculated the contribution of C retained by reactive minerals to the total organic soil C pool.
Fig. 5 | Total and reactive mineral soil C stock by biome. Calculated C stock retained by reactive minerals by biome is based on Fig. 2 (for details see Methods). The percentage of the total C sorbed by reactive minerals is calculated as reactive mineral C stock/ total stock × 100) for biomes globally. MAP after adjusting for PET for each biome was calculated from 1 km grid cell values averaged over the entire biome.
（三） 气候与土壤碳积累
研究结果表明，气候驱动的碳积累途径导致了土壤中活性矿物质固存的碳的不同阈值，主要与温度、降水时间和强度以及土壤潜在蒸发速率有关。在未来的100年里，随着地球温度的上升，这一切都将发生巨大的变化。在有效水分为-300-800mm的气候响应范围内，系统中被矿物固存的有机碳量对流经系统的水通量的变化具有高度响应性，因此对未来气候的变化最为敏感。根据水通量的不同，活性矿物在整个生物群落中保留的碳含量可能在6%至60%之间（Fig. 6）。较潮湿的森林生物群落(MAP-PET>800 mm )对渐次或更渐进的气候变化可能不太敏感，因为系统中碳和水饱和，(图5和图6)。同样，在干燥气候(MAP-PET<300mm )中，水分条件被严重限制，在广泛的有效水分条件下矿物固存的碳量仅发生轻微的变化。
Fig. 6 | Predicted percentage of organic carbon released as DOC by reactive minerals by biome as predicted by effective moisture
Kramer, M.G., Chadwick, O.A. Climate-driven thresholds in reactive mineral retention of soil carbon at the global scale. Nature Climate Change, 2018, 1104–1108.